嵌入式软件为啥要进行模块化设计？

工程师进阶笔记 · 发表于 2024-7-12 17:50:00

我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师
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在如今的嵌入式软硬件技术开发领域，几乎每一位工程师都会大谈模块化设计，硬件工程师在设计原理图的时候，电源要模块化，核心板要模块化，功能电路要模块化。软件工程师在coding的时候，CPU初始化要模块化，IIC代码要模块化，RTC代码要模块化，等等。
于是，当大家对模块化设计的概念和思想有了普遍共识后，我们在写单片机代码的时候，（大多数工程师极有可能）是以下面这种代码形式去组织产品的功能模块代码。

void main(void){ gpio_init(); //初始化GPIO iic_init(); //初始化IIC总线 rtc_init(); //初始化RTC while(1) { function_code_1(); //功能代码1 function_code_2(); //功能代码2 function_code_3(); //功能代码3 }}
这看上去似乎是非常合情合理合逻辑的，先把需要用到的硬件接口都初始化完成，然后在 while(1) 循环里面不断地轮询，处理我们的业务逻辑。
关于源代码文件的存放，可能是 iic.c 和 iic.h ，gpio.c 和 gpio.h 都放在MCU的外设驱动文件夹，功能模块源代码放在另一个文件夹。
（几乎所有的单片机入门教程都是这么教我们的，外设驱动放一块，业务逻辑放一块，这看上去很模块化呀，没啥毛病~）
然而，当我们对这个世界的客观事物理解越来越深刻的时候，才发现这个世界的大多数事物，都是以“模块”的形式存在着。
我是一个模块（职场吗喽），给公司当牛马；公司是一个模块，给行业提供解决方案或产品；行业是一个模块，给产业链提供完善的行业支持；产业链是一个模块，给社会主义经济建设提供可靠的资源支撑；社会主义是。。。
扯远了：）

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于是，我们上面的单片机伪代码，比如它是一个给广州塔按时点亮流水灯的控制器产品，用模块化的思想就可以优化为以下的形式；

void main(void){ light_module_init(); //灯光模块，里面包含GPIO接口初始化 storage_module_init(); //存储模块，里面包含IIC初始化，存储设备初始化 clock_module_init(); //时钟模块，里面包含RTC额初始化。 while(1) { light_module.handler(); //处理灯光模块的逻辑，比如定时点灯 storage_module.handler(); //处理存储器逻辑，比如定时保存配置数据 clock_module.handler(); //处理时钟或闹钟，比如发出定时或计时信号 }}
从以上代码可以看出，我们把MCU外设驱动的初始化，放在模块的初始化函数里面进行处理了，主循环while(1)里面也是调用了模块提供的事务处理函数。各个模块分工明确，只扫自家门前雪，不管他人瓦上霜。
模块之间可以通过约定的接口进行数据的交互和通信，并且严格禁止跨模块使用全局变量，模块的接口头文件禁止放入 “extern xxx变量” 的代码，一旦放入这种代码，大概率是会被下一位接坑者“友好问候”的。
模块化之后，事情一下子变得简单起来了，当我们发现塔上的灯不亮了，就去检查一下 light_module 和电源总闸呗，当我们发现定时时间不准了，就去检查一下时钟模块呗。怀疑硬件驱动有问题的，就去看看 xxx_module_init 的代码，怀疑业务逻辑的，就去看看 xxx_module_handler 代码。
模块化设计是嵌入式系统设计中的一种重要方法论，但通常这种方法论描述得过于抽象，难以理解，以下是模块化设计的核心哲学思想，我们可以尝试通俗地理解这些思想背后的目标。
1、高内聚、低耦合、接口明确
模块内部的各个变量各个函数，都给咱统一管理起来，不对外的函数要static，不想让模块使用者知道的内容，就不要放在接口头文件，对外接口要规范，提供明确的接口使用指导。
2、可重用性、可扩展性、可维护性
模块源码被使用时，可以轻松复制粘贴，模块使用者只需遵循接口规范，通过正确的输入即可获得正确的输出。模块作者给模块扩展功能时，不需要重写所有代码。模块设计者在维护模块某个功能时，只需专注某个局部，而不是模块全局。
3、单一职责原则
一个模块只负责一项任务（或者一项功能），其他不属于自己分内的事情，就别管了（也管不了），各家只扫门前雪就行了！
4、分层架构、配置管理
模块化的内在设计可以采用分层架构，每一层负责处理不同的抽象级别。也就是说，模块内部之间也要有层次感，模块内部也不是一锅乱炖的东西，最起码的层次阶级还是要有的，并且还要提供适当的配置文件（或数据结构）来控制模块的功能与行为。
5、测试与验证
哪里出问题了，直接找出问题的模块就行，电源出问题了，一开始该不会去怀疑网络通信不了而导致电源出问题吧？！模块化设计的软件，使得对单个模块进行测试验证或者找问题变得更加容易，有助于提高软件整体质量。
通过遵循这些设计哲学，嵌入式软件的开发可以更加高效，最后，需要补充的一点就是，如果产品的功能逻辑肉眼可见的简单，就不用扯啥模块化了，用最直接简单粗暴的方式来操作硬件，完成功能开发，怎么方便怎么来，别整啥模块化给自己制造麻烦了。
模块化思想，是适用于对中大型的产品业务软件进行规划设计的，并不具备普适性用途，也不是放之四海而皆准的真理，工程师们还是需要具体问题具体分析，按需使用。
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